4.5. Электромагнитные волны

Волна – это процесс распространения колебаний в пространстве. В зависимости от природы волны колебания совершают различные физические величины. Например, в случае звуковых волн распространяются деформации в какой-то среде. Распространение волн происходит потому, что частицы среды связаны между собой упругими силами, способными вызывать колебания. Поэтому если сместить из положения равновесия какую-либо частицу среды, то начнет смещаться и соседняя частица и т. д. Вместе с колебаниями частиц колебания совершают плотность, давление, концентрация частиц в среде.

Проще всего представить себе морские волны. Длиной волны () называется расстояние между соседними гребнями (в случае звуковой волны – расстояние между ближайшими точками с максимальными плотностью или давлением). Эквивалентное определение: длина волны – это расстояние, которое волна проходит за время, равное периоду колебаний. В однородных средах волны распространяются с постоянной скоростью. Поэтому, исходя из определения длины волны, можно записать:. Учитывая связь периода и частоты, получаем формулу, связывающую длину волны, скорость волны и частоту колебаний в волне любой природы:

. (4.32)

Например, если за одну минуту (60 с) на берег приходит 10 волн, а расстояние между гребнями м, то частота(Гц), а скорость волн(м/с).

Примером электромагнитной волны является свет. Она представляет собой распространение в пространстве электрических и магнитных полей. Существование электромагнитных волн впервые теоретически предсказал Максвелл. Этот факт следует из его уравнений (см. п. 3.19). Изменяющееся (переменное) электрическое поле вызывает появление в окружающем пространстве изменяющегося магнитного поля. В свою очередь изменяющееся магнитное поле порождает изменяющееся электрическое поле и т. д. Таким образом, переменные электрическое и магнитное поля образуют электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве. Так как существование электромагнитных волн никоим образом не связано со средой, они, в отличие от звуковых волн, могут распространяться в вакууме. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме или скорость света м/с. Ни один материальный объект в инерциальной системе отсчета не может иметь скорость большую, чем скорость света.

Электромагнитная волна является поперечной волной, т.е. колебания векторов напряженности электрического поля () и магнитного поля () происходят перпендикулярно направлению распространения волны (рис. 4.12). При этом.

Конечно, когда мы смотрим на луч света, невозможно догадаться, что свет – волна, и тем более, электромагнитная волна. Огибающую векторов напряженностей полей мы не видим, и не можем «на глаз», как в случае морских волн, оценить длину волны. Экспериментальным доказательством волновой природы света являются опыты по интерференции и дифракции света, которые изучают в разделе «Оптика». А простейшим прибором для определения длины волны света является дифракционная решётка.

Итак, при распро­странении электромагнитной волны в каждой точке, через которую проходит волна, колебания совершают напря­женности электрического и магнитного полей. Если коле­бания электрического векторапроисходят все время параллельно какому-то одному направлению, то волна называетсялинейно поляри­зован­ной.При этом колебания векторабудут также происходить вдоль какого-то одного направления, поскольку. На рис. 4.12 колебания векторапроисходят вдоль осиx, а колебания векторавдоль осиy. Важным случаем электромагнитных волн является волна, в которой вектораиизменяются погармоническому закону с какой-то циклической частотой. Такая волна называетсямонохроматической. В этом случае для напряженности электрического поля в какой-то фиксированной точке пространства с координатойzможно записать, гдевремя колебаний в точке с координатой. Предположим, что в точке с координатойнаходится источник волны, тогда колебания в «нашей» точкеначнутся лишь через времяс момента начала распространения волны. Поэтому, гдевремя работы источника волны. Таким образом

.

Поскольку , а(см. 4.32), то

(4.33)

Уравнение (4.33) называется уравнением линейно поляризованной волны или, сокращенно, уравнением плоской волны.

Из уравнения (4.33) следует, что плоская волна представляет собой периодический процесс, как во времени, так и в пространстве. Если рассматривать какую-то фиксированную точку с координатой z₀, то слагаемое становится постоянным, и уравнение (4.33) для данной точки пространства

,

где постоянная, играющая роль начальной фазы колебаний. Последнее уравнение показывает, что в любой фиксированной точке осиz₀происходит периодическийво временипроцесс колебаний вектора напряженности электрического поля. Если зафиксировать какой-то момент времени, т.е. «заморозить волну»«остановить» колебания векторов, тогда уравнение (4.33) можно записать так

.

В данном случае . Последнее уравнение указывает на пространственную периодичность плоской волны: огибающая всех векторовв любой фиксированный момент времени представляют собой синусоиду. Именно в виде синусоиды волны и показывают на рисунках (см., например рис. 4.12).

Пространственную и временную периодичность волн просто понять, рассматривая морские волны. Линия, огибающая поверхность моря в любой момент похожа на синусоиду – это пространственная периодичность. Если на море плавает чайка, то она движется вверх-вниз – это периодичность во времени.